Книги / Из опыта создания и освоения Красноярской и Саяно-Шушенской ГЭС. Брызгалов В.И. 1998 г

Временные водоприемники гидротурбин должны были бы отвечать требованиям надежности и эффективности эксплуатации, одинаковым с предъявляемыми к постоянным устройствам. Функции ГЭС в энергосистеме не должны зависеть от временного характера устройств. Это относится к сороудерживающим решеткам, к затворам, гидроподъемникам и другим элементам.

Крупным недостатком проекта затворов, оборудованных гидроподъемниками (то же относится и к водосбросам II яруса, и к временным водоприемникам турбин), является то, что при размещении их в теле плотины не учитывалось, что в таких помещениях будет создаваться недопустимая для электрических устройств и элементов автоматики влажностная среда. В некоторых помещениях возникала сильная струйная фильтрация через бетон стенки, обращенной к ВБ. Менее чем за год все устройства автоматики гидроподъемников в этих помещениях вышли из строя и восстановлению не подлежали.

Доступ в помещения гидроподъемников временных устройств не отвечал никаким требованиям техники безопасности, в особенности к гидроподъемникам временных водоприемников. Неотложную врачебную помощь персоналу, находящемуся во временных помещениях гидроподъемников, оказать было практически невозможно, так как лестницы к помещениям соответствовали только требованиям вертикальных шторм-трапов (не для медперсонала, в особенности с носилками).

Постоянные водоприемники гидротурбин располагаются в теле плотины с отметкой порогов 479 м (рис. 5.11). Они оборудованы сороудерживающими решетками (рис. 5.12), вынесенными за напорную грань, и представляют собой пятигранную в плане эркерную конструкцию, что обеспечивает скорость потока на решетке, не превышающую 0,8 м/с. Такое решение в отечественной практике осуществлено впервые.

Водоприемники оборудованы быстропадающими плоскими скользящими затворами размером 7,5 х 9,66 м, рассчитанными на напор 61 м, с гидроподъемниками тяговым усилием 200 т. Время опускания затвора 6 минут. Для срыва вакуума в водоводе предусмотрены две аэрационные трубы диаметром 2000 мм на агрегат. Механическое оборудование водоприемников работает достаточно надежно. Помещения гидроподъемников постоянных водоприемников отвечают необходимым требованиям эксплуатации. Наряду с этим, одним существенным недостатком является неудовлетворительная работа байпасов быстропадающих затворов. Из-за неудачной их конструкции фильтрация через эти байпасы в целом ряде случаев не позволяла осушить подводную часть агрегатов и своевременно вывести их в плановый ремонт.

399

Рис. 5.12 Эркерная конструкция сороудерживающих решеток постоянных водозаборов турбин

Турбинные водоводы – один из главных элементов сооружений – работают достаточно надежно. Они представляют собой высоконапорные сталежелезобетонные трубопроводы. Расчетный напор трубопровода 270 м, длина 241 м, внутренний диаметр 7,5 м. Оболочка трубопровода из стали 09Г2С имеет переменную толщину от 16 мм вверху до 32 мм – внизу. Компенсационный участок, сопрягающий водовод со спиральной камерой, выполнен толщиной 40 мм из стали 138ИЗ-2 Ижорского завода. Армокаркасы выполнены из арматуры периодического профиля – кольцевая имеет диаметр 32-70 мм, продольная – 14÷25 мм. Железобетонная оболочка имеет толщину 1500 мм. Сложность их эксплуатации заключается в том, что выявить дефекты на водоводах без проведения целого ряда громоздких и трудоёмких работ не представляется возможным. Например, существуют косвенные признаки того, что некоторые водоводы имеют протечки, и это на протяжении ряда лет не удается подтвердить. Оперативный осмотр водоводов изнутри не выявил никаких внешних признаков нарушений целостности оболочки. Способы рентгеноскопии, дефектоскопии требуют больших затрат на устройство лесов по всему периметру сечения водовода, подготовки поверхности металла и выполнения ряда других сложных и трудоёмких организационных и технических мероприятий, особенно на наклонных участках. Мобильных и оперативных технических средств для этого проектом не разработано*).

*) Метод осмотра водоводов с плавающего помоста при постепенном понижении уровня воды в водоводе может выявить крупные (“бросающиеся в глаза”) дефекты металлической оболочки. Протечки через НА турбины не позволят длительно зафиксировать уровень воды для проведения трудоемких работ при выявлении дефектов.

400

Многие годы дискутируется вопрос об антикоррозийной защите внутренней поверхности турбинных водоводов. Опыт эксплуатации ГЭС с высокими плотинами и глубокими водохранилищами – Братской, Красноярской и Усть-Илимской гидростанций, где вода, поступающая на турбины, достаточно холодная и не имеет в своем составе агрессивных элементов, показал, что за 30-40 лет эксплуатации не возникло необходимости в антикоррозийной защите внутренней поверхности металла оболочки водоводов. В связи с этим работа по антикоррозионной покраске водоводов Саяно-Шушенской ГЭС, хотя и была предусмотрена проектом, не выполнялась.

Таким образом, металлоконструкции и оборудование гидротехнических сооружений, предназначавшиеся для пропуска строительных расходов, одновременно должны были продолжительное время обеспечивать водно-энергетический режим Саяно-Шушенской ГЭС в период интенсивного строительства гидроузла. В полной мере эта задача не была решена, поскольку не было специальной и тщательной проектной проработки и исследований условий, которым должны были удовлетворять временные устройства. Если проектом предполагается эксплуатация гидростанции на ранней стадии ее строительства, то технические условия на все устройства, используемые и участвующие в водно-энергетическом режиме ГЭС, должны отвечать требованиям и уровню надежности постоянной эксплуатации.

Пространственная перекрестно-стержневая металлическая конструкция, примененная на Саяно-Шушенской ГЭС для перекрытия и стен машинного зала, заслуживает того, чтобы отметить некоторые особенности этой структуры, работающей в условиях гидроэлектростанции. Конструкция состоит из унифицированных металлических элементов системы Московского Архитектурного института (МАРХИ), который выполнял расчеты и конструировал эту структуру. Она была впервые применена в практике строительства гидростанций, мирового опыта эксплуатации подобной пространст- венно-стержневой конструкции в условиях ГЭС нет.

Каркас машинного зала выполнен в виде 13-ти отдельно стоящих пространственных однопролетных неразрезных с разновеликими по высоте стойками рам (рис. 5.13) с жесткими узлами на опорах и у ригеля, расположенных веером одна за другой, повторяя в плане криволинейное очертание машзала. Ригель рамы имеет 2% уклон в сторону верхнего бьефа для обеспечения стока воды с кровли. Соединение стержней в секции выполнено на узловых металлических полусферических и сферических элементах системы МАРХИ. Соединение стержневых элементов в узлы осуществляется на высокопрочных болтах, ввинчиваемых в узловые элементы (рис. 5.14).

Необходимая плотность соединения по проекту должна была обеспечиваться предварительным напряжением болтов за счет

401

Рис. 5.13 Монтаж пространственно-стержневой конструкции (МАРХИ) верхнего строения здания Саяно-Шушенской ГЭС

Рис. 5.14 Схема неразрезной рамы пространственно-стержневой структуры верхнего строения машзала Саяно-Шушенской ГЭС

1, 2, 3, 4, 5 – места установки датчиков вибрации; 6 – труба; 7 – болт специальный; 8 – штифт; 9 – элемент узловой; 10 – втулка специальная

402

натяга, который не должен превышать усилие более 1,5 т. Усилие автоматически не должно было превышать заданное, благодаря срезанию контрольного штифта в момент затяжки болта. Сечение и материал штифта должны были быть подобраны так, чтобы срезание его происходило при заданном усилии.

Пространственные рамы опираются на железобетонную подкрановую эстакаду с верхнего бьефа и стенку с нижнего бьефа и жестко закреплены к основанию.

Кровля уложена на прогоны, которые опираются на узловые элементы системы МАРХИ.

Перекрытие и стены машинного зала служат для ограждения оборудования и людей от внешней среды и рассчитаны только на снеговую и ветровую нагрузку и на сейсмическое воздействие в 7 баллов.

В технических условиях на разработку пространственно-стерж- невой структуры не задавались нагрузки, связанные с возмущающими воздействиями от нестационарных гидравлических процессов при работе водосбросов и агрегатов. При наличии такого задания разработчиками системы МАРХИ могли быть внесены дополнительные соответствующие конструктивные решения [85].

Пролет перекрытия машзала закреплен на стенах, представляющих тоже не жесткую пространственно-стержневую конструкцию. Такие стены в определенных условиях могут провоцировать и усиливать вибрацию пролёта.

Первые же натурные визуальные наблюдения эксплуатационного персонала за поведением структуры МАРХИ показали, что при работе агрегатов и водосбросов возникают заметные перемещения кровли машинного зала, особенно в вертикальном направлении. Поэтому были организованы инструментальные измерения вибраций и напряжений в несущих элементах конструкции МАРХИ при различном сочетании работы водосбросов и агрегатов. Места установки датчиков показаны на рисунке 5.14.

Измерения производились в 8-ми поперечных створах здания ГЭС с охватом всего машинного зала и монтажной площадки.

Наибольшие вибрации были измерены в створе блока здания ГЭС, вмещающего 9-й и 10-й гидроагрегаты, в середине пролета перекрытия машзала (рис. 5.15). Жесткость этого блока была меньше, чем на остальных агрегатах, поскольку в первый период измерений здесь ещё не было забетонировано перекрытие машинного зала (пол), не были забетонированы анкерные опоры турбинных водоводов, проточные тракты турбин не были заполнены водой. Кроме того, этот измерительный створ был ближе остальных к работающему временному водосбросу II яруса, несовершенство гидравлических характеристик

403

которого вызывало сильную пульсацию потока, и гашение его происходило с большими гидравлическими ударами, вызывающими наибольшее динамическое воздействие на окружающие конструкции.

На рисунке 5.15 представлена зависимость вибрации (амплитуда, но не размах колебаний) середины пролета в вертикальном направлении от открытия водосброса и работы агрегатов. В период испытаний работали первые (нумерация идет от монтажной площадки) 5-6 агрегатов с нагрузкой 335-400 МВт каждый.

Рис. 5.15 Зависимость вибрации в середине пролета перекрытия от работы агрегата и строительного водосброса

1 – вибрация при работе агрегатов и закрытом водосбросе; 2 – вибрация при открытии водосброса с расходом 1300 м3/с; 3 – вибрация при открытии водосброса с расходом 2500 м3/с ; 4 – вибрация при открытии водосброса с расходом 4500 м3/с

Из рисунка видно, что на величину вертикальной вибрации оказывает существенное влияние не работа агрегатов, а работа во-

404

досброса. Кроме того, вибрация перекрытия над 9, 10 гидроагрегатами в 6 раз выше, чем над другими. Амплитуда вертикальной вибрации достигла 1170 мкм.

При наиболее неблагоприятном динамическом воздействии от работы водосброса с расходом 4500 м3/с максимальная амплитуда вибрации середины пролета в направлении ВБ-НБ достигала 429 мкм, в направлении левый берег – правый берег (ЛБ-ПБ) – 590 мкм. Амплитуда максимальной вертикальной вибрации стены нижнего бьефа достигала 80 мкм, в направлении ВБ-НБ – 400 мкм, в направлении ЛБ-ПБ – 263 мкм. То же для стены верхнего бьефа: вертикальная – 52 мкм, в направлении ВБ-НБ – 233 мкм, в направлении ЛБ-ПБ – 95 мкм. Эти данные свидетельствуют, что влияние водосброса достаточно существенное и на другие элементы конструкции МАРХИ. Однако, вибрации этих элементов значительно ниже, чем основной составляющей части – пролета машинного зала в его середине в вертикальном направлении. При закрытом водосбросе и только работающих агрегатах на всех указанных частях конструкции МАРХИ вибрации уменьшались на один-два порядка.

Проектной организацией было высказано предположение, что после того как будет забетонирован пол машинного зала и анкерные опоры, величина колебаний МАРХИ существенно уменьшится, и они выровняются по длине машинного зала.

Рис. 5.16 Схема расположения датчиков вибрации по перекрытию машинного зала

1, 3, 5, – места установки датчиков; ГА9 – номер агрегата; МП – монтажная площадка; Т.блок – торцевой блок; 40, 43 – номера секций водосброса

405

После завершения строительных работ и ликвидации временных водосбросов в период нормальной эксплуатации спустя 13 лет были вновь проведены вибрационные испытания МАРХИ.

Испытания проводились в 1997 году при разном сочетании открытия двух постоянных водосбросов и работы агрегатов под постоянной нагрузкой. Строительная часть здания ГЭС в этот период полностью соответствовала проекту. Места установки датчиков измерений вибрации были выбраны те же, что и при первоначальных испытаниях (рис. 5.14 и 5.16). Измерения показали, что в основном вибрации соответствуют почти гармоническим колебаниям с характерной формой биений (рис. 5.17).

Рис. 5.17 Осциллограмма вибрации конструкций МАРХИ при одном открытом водосбросе

а) – вибрация середины пролета перекрытия над агрегатом № 9; б) – вибрация стены нижнего бьефа у агрегата № 10

406

Рис. 5.18 Вертикальные вибрации середин пролетов перекрытия машзала

На рисунке 5.18 приведены графики вертикальных вибраций середины перекрытия машзала при различных открытиях водосброса 40-й и полностью одновременно открытых 40-й и 43-й секций. На

407

графиках видно, что вибрации перекрытия, так же как и ранее, в значительной степени зависят лишь от величины расхода воды через водосброс. Работа агрегатов ГЭС не оказывает заметного влияния на амплитуду вибрации перекрытия машзала. На рисунке 5.18 также видно, что величины вибрации перекрытия для разных агрегатных блоков машинного зала при работающем водосбросе отличаются друг от друга. Максимальное значение перемещения зафиксировано на перекрытии агрегата 10 при 100% открытии одновременно двух затворов водосбросов. Характерные частоты вертикальной вибрации перекрытия всех конструкций при закрытых затворах находятся в полосе 0,8-0,9 Гц (рис. 5.19а), при открытых водосбросах в полосе

2,6-3,8 Гц (рис. 5.19б).

Рис. 5.19 Амплитудные спектры вертикальных колебаний середины пролета перекрытия машзала

а) – при закрытых водосбросах, воздействие только от работающих гидроагрегатов; б) – при открытии водосброса секции 40 на 100%

Амплитуды вибрации стены машинного зала со стороны верхнего бьефа ниже, чем у перекрытия, но тоже зависят от режима работы водосброса. По сравнению с замерами 1984 года зафикси-

408